JP4138118B2 - エンコーダおよび回転位置検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、モータ等の回転体の位置、回転角、回転速度等の検出装置として使用されるエンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のインクリメンタルエンコーダは、例えば光学式エンコーダの場合、受光素子により符号板のスリット／切り欠きを検出したアナログ信号を、波形整形回路によりパルス信号（ディジタル信号）に変換し位相差２信号としている。このため、エンコ―ダ可動部の停止位置精度（符号板の位置）は、位相差２信号の各信号の変化点により判断することとなり、例えば、この変化点から変化点の間はエンコ―ダ軸が動いても判断することが出来なかった。つまり、回転軸の停止精度は、位相差２信号の分解能（１回転ｎのスリット数）により決められていた。
【０００３】
従って、位置精度を上げるためには、符号板の１回転内のスリット数を増やし分解能を上げるか、または受光素子により検出したアナログ信号を出力し、アナログ信号の信号変化量から位置を判断する必要がある。しかしながら、どちらも技術面、製造面において困難であり、コストアップの要因ともなっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、位相差２信号の一周期内においても回転軸の位置検出を可能とし、符号板の分解能を上げたりアナログ信号を出力することなくエンコーダ軸の停止位置精度を向上することの可能なエンコーダ、およびこれを用いた回転位置検出装置を実現することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
（１） 少なくとも符号板の回転により正弦波状のアナログ位相差２信号を発生するエンコーダであって、
前記位相差２信号は、それぞれ正転信号とこの正転信号の位相が反転した反転信号からなり、
前記位相差２信号の少なくともいずれかの信号の一周期内の特定領域をこの位相差２信号を用いて確認する領域確認手段を有し、
この領域確認手段は、位相差２信号の正転信号と反転信号の交点となる変化点近くの領域を、この位相差２信号の信号レベルから検出して領域確認信号として出力するエンコーダ。
（２） 前記領域確認手段は、位相差２信号の特定の信号レベルを検出して、この位相差２信号よりも僅かに位相の異なる位相差信号を形成し、これから領域確認信号を形成する上記（１）のエンコーダ。
（３） 前記領域確認手段は、位相差２信号よりも僅かに位相の進んだ位相差２信号あるいは僅かに位相の遅れた位相差２信号を形成する上記（２）のエンコーダ。
（４） 前記領域確認手段は、位相差２信号よりも僅かに位相の進んだ位相差２信号と位相差２信号、あるいは僅かに位相の遅れた位相差２信号と位相差２信号とから領域確認信号を形成する上記（３）のエンコーダ。
（５） 前記領域確認手段は、位相差２信号よりも僅かに位相の進んだ位相差２信号および僅かに位相の遅れた位相差２信号を形成する上記（２）のエンコーダ。
（６） 前記領域確認信号は、位相差２信号よりも僅かに位相の進んだ位相差２信号と僅かに位相の遅れた位相差２信号とから領域確認信号を形成する上記（５）のエンコーダ。
（７） 前記領域確認手段は、４種類の領域確認信号を出力する上記（１）〜（６）のいずれかのエンコーダ。
（８） 少なくとも被測定物の回転に応じて位相差２信号を与えるコード信号発生手段と、前記コード信号発生手段からの信号をシリアルデータに変換するシリアルデータ変換手段を有し、前記位相差２信号をシリアルデータとして出力するインクリメンタルエンコーダである上記（１）〜（７）のエンコーダ。
（９） 上記（１）〜（８）のエンコーダを有する回転位置検出装置。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明のエンコーダは、少なくとも符号板の回転により位相差２信号を発生するエンコーダであって、前記位相差２信号の各信号の―周期内の特定領域を、前記位相差２信号を用いて確認する領域確認手段を有する。
【０００７】
位相差２信号の一周期内に、領域確認手段として別個の信号を追加することにより、分解能を上げたり、アナログ信号を出力せずにエンコーダ軸の停止位置精度を向上（判断）させることが可能となる。
【０００８】
―般に、位相差２信号は、光学式エンコーダの場合、発光素子の光を符号板を介して受光素子により検出し、これから得られたアナログ信号をレベル比較してパルス信号に変換（波形整形回路）することで生成されている。
【０００９】
領域確認手段は、例えば、前記符号板から得られたアナログ信号（位相差信号）のレベルを判断し、波形整形した信号を論理回路で処理することにより生成される信号を用いて所定の領域を判断することができる。アナログ信号のレベルを判断する方法としては、例えば、アナログ信号をレベルシフトさせて比較したり、位相シフトさせて比較したり、領域確認用の基準レベルを用意して比較する等の処理を行えばよい。
【００１０】
次に、図を参照しつつ、本発明をより具体的に説明する。図１は、本発明のエンコーダの基本構成を示すブロック構成図である。図において、本発明のエンコーダは、発光素子２と、符号板３と、この符号板３の切り欠きやスリット等を介して発光素子２の光を受光する受光素子４とを有する。受光素子４は、例えば、所望の信号を得るのに必要な符号板のスリット（光透過領域）と対応した位置にそれぞれの符号に対応して配置されている。発光素子２は、受光素子４と対応した位置にそれぞれ配置してもよいし、いくつかの受光素子４に１つの発光素子２を対応させるようにしてもよい。
【００１１】
各受光素子４ａ，−４ａ，４ｂ，−４ｂ〔本明細書中において、論理反転記号をマイナス（−）として表示する。〕からのアナログ出力ａ，−ａ，ｂ，−ｂは、例えば、図２の（１）（２）に示すようなアナログ波形ａ，−ａ，ｂ，−ｂとして出力される。このアナログ波形ａ，−ａ，ｂ，−ｂは、波形整形手段５に入力される。この波形整形手段５は、入力されたアナログ信号に対して基準レベルを用意して比較する等の処理を行い、アナログ信号ａ，−ａおよびｂ，−ｂから図２（３）に示すような位相差２信号Ａ，Ｂであるデジタル信号のパルス波形を形成する。
【００１２】
さらに、この例ではインクリメンタル式エンコーダを構成しているため、波形整形手段５から出力された位相差２信号Ａ，Ｂは、インクリメンタルデータ変換手段６に入力され、インクリメンタルデータに変換された後、シリアルデータ変換手段７によりシリアルデータＳＤに変換され出力される。なお、シリアルデータとしたのは信号線の本数を少なくして、エンコーダと、これに接続される測定機器、計算機等との間の配線を少なくするためであるが、必要によりインクリメンタルデータないしパラレルデータとして出力するようにしてもよい。
【００１３】
本発明のエンコーダは、さらに前記各受光素子４ａ，−４ａ，４ｂ，−４ｂからのアナログ出力ａ，−ａ，ｂ，−ｂを、領域確認手段８に入力する。この領域確認手段８は、例えば、波形整形回路等を有し、レベルシフトさせて比較したり、領域確認用の基準レベルを用意して比較する等の処理を行い、領域確認信号Tzを形成する。この領域確認信号Tzも、図示例ではシリアルデータ変換手段７に入力され、シリアルデータＳＤとして出力される。
【００１４】
次に、領域確認手段８の動作についてより詳細に説明する。図２〜４は、領域確認手段の動作を示すタイミングチャート（波形図）である。まず、図２の例について説明すると、前述のように各受光素子４ａ，−４ａ，４ｂ，−４ｂからのアナログ出力（１）ａ，−ａ、および（２）ｂ，−ｂから位相差２信号（３）Ａ，Ｂが形成される。
【００１５】
さらに、このアナログ出力（１）ａ，−ａ、および（２）ｂ，−ｂは、領域確認手段に入力されると、アナログ信号の特定レベル判断等の操作により、前記位相差２信号（３）Ａ，Ｂとはわずかに位相の異なる２種類の位相差２信号（４）A1，A2および（５）B1，B2が形成される。この例では、アナログ信号の変化点に着目した場合、僅かに位相が前後にずれた２つの信号、あるいは立ち上がり、立ち下がり時の特定レベルを検出して得られる２つの信号となっている。これらの操作は、波形整形回路、レベル判定回路、位相シフト回路等により行うことができる。
【００１６】
そして、この２種類の位相差２信号（４）A1，A2および（５）B1，B2から、４種類の領域確認信号（６）TzAH，TzAL、および（７）TzBH，TzBLが形成される。つまり、位相差２信号ＡまたはＢの一周期T1〜T4またはT2〜T5において、前記位相差２信号より遥かに短い幅Tzの領域確認信号を４種類出力することができる。これらの操作は、論理回路（論理ゲート）を組み合わせることにより行うことができ、例えば、A1とA2、B1とB2のＨレベル（論理正状態として判断するレベル）、A1とA2、B1とB2のＬレベル（論理負状態として判断するレベル）を検出する等すればよい。
【００１７】
図３は、領域確認手段の第２の構成例を示すタイミングチャートである。この例の領域確認手段は、アナログ出力（１）ａ，−ａ、および（２）ｂ，−ｂから１種類の位相差２信号（４）A1，B1を形成している。この例では、アナログ信号の変化点に着目した場合、僅かに位相が前にずれた１つの信号、あるいは立ち上がり、立ち下がり時の特定レベルを検出して得られる１つの信号となっている。
【００１８】
そして、この１種類の位相差２信号（４）A1，B1から、４種類の領域確認信号（６）TzAH，TzAL、および（７）TzBH，TzBLが形成される。その他の構成要素は図２の場合と同様であり、説明を省略する。
【００１９】
図４は、領域確認手段の第３の構成例を示すタイミングチャートである。この例の領域確認手段は、アナログ出力（１）ａ，−ａ、および（２）ｂ，−ｂから１種類の位相差２信号（４）A2，B2を形成している。この例では、アナログ信号の変化点に着目した場合、僅かに位相が後ろにずれた１つの信号、あるいは立ち上がり、立ち下がり時の特定レベルを検出して得られる１つの信号となっている。
【００２０】
そして、この１種類の位相差２信号（４）A2，B2から、４種類の領域確認信号（６）TzAH，TzAL、および（７）TzBH，TzBLが形成される。その他の構成要素は図２の場合と同様であり、説明を省略する。
【００２１】
本発明のエンコーダに用いられる発光素子としては、発光ダイオード、レーザーダイオード、白熱球、ＥＬ素子等が使用できるが、特に価格や使いやすさの点で発光ダイオードが好ましい。また、受光素子としては、フォトダイオード、フォトトランジスタ等の光検出用の半導体の他、光電管を応用したものなどを用いることもできるが、価格や使いやすさの点でフォトダイオード、フォトトランジスタ等の光検出用の半導体が好ましい。
【００２２】
本発明の領域確認信号により、例えば、一回転：３６０°で１°の分解能を有するエンコーダの場合、その１／１００程度の幅の領域を領域確認信号として出力すると、符号板の精度はそのままで１００倍の停止精度を得ることができる。領域確認信号の信号幅は、アナログ信号の検出レベルや位相のシフト量により調整することができる
【００２３】
上記位相差２信号や、領域確認信号を得るために必要なアナログ回路、論理回路は、公知のアナログ、デジタル回路技術や、インクリメンタルエンコーダに用いられている通常の回路技術を応用することによい実現することが可能であり、その詳細についての説明は省略する。
【００２４】
このように、本発明のエンコーダによれば、移動方向の確認を位相差２信号（Ａ，Ｂ）により行い、変化点の領域確認を領域確認信号（TzAH，TzAL，TzBH，TzBL）により行い、この領域確認信号Tz内の領域でエンコーダ可動部を停止させることで、符号板の精度を上げることなく可動部の停止位置精度を飛躍的に向上させることが可能となる。
【００２５】
本発明のエンコーダは、インクリメンタルタイプのエンコーダに好ましく適用することができるが、上記のような領域確認信号をアブソリュート型などのエンコーダーに対して適用することも可能である。さらに、上記例では光学式エンコーダを例に説明したが、光学式以外の磁気式エンコーダであってもよいし、シリアルデータ伝送方式以外の信号出力形態を有するエンコーダでもよい。
【００２６】
また、本発明のエンコーダから得られた領域確認信号を用いることの可能な制御装置、測定装置は、通常のエンコーダを使用することが可能であって、デジタル論理回路、プロセッサ等を備えた装置を応用することにより容易に実現できる。また、従来の制御、計測システムを改造してもよく、電気回路、制御プログラムなどに僅かな変更を加えるだけで実現することができる。本発明のエンコーダと、これらの装置、回路、あるいはその一部を一体として、回転位置検出装置としてもよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、位相差２信号の一周期内においても回転軸の位置検出を可能とし、符号板の分解能を上げたりアナログ信号を出力することなくエンコーダ軸の停止位置精度を向上することの可能なエンコーダ、およびこれを用いた回転位置検出装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のエンコーダの基本構成を示すブロック構成図である。
【図２】領域確認手段の第１の構成例の動作を示すタイミングチャートである。
【図３】領域確認手段の第２の構成例の動作を示すタイミングチャートである。
【図４】領域確認手段の第３の構成例の動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
２ 発光素子
３ 符号板
４ 受光素子
５ 波形整形手段
６ インクリメンタルデータ変換手段
７ シリアルデータ変換手段
８ 領域確認手段

Claims (9)

1. 少なくとも符号板の回転により正弦波状のアナログ位相差２信号を発生するエンコーダであって、
   前記位相差２信号は、それぞれ正転信号とこの正転信号の位相が反転した反転信号からなり、
   前記位相差２信号の少なくともいずれかの信号の一周期内の特定領域をこの位相差２信号を用いて確認する領域確認手段を有し、
   この領域確認手段は、位相差２信号の正転信号と反転信号の交点となる変化点近くの領域を、この位相差２信号の信号レベルから検出して領域確認信号として出力するエンコーダ。
2. 前記領域確認手段は、位相差２信号の特定の信号レベルを検出して、この位相差２信号よりも僅かに位相の異なる位相差信号を形成し、これから領域確認信号を形成する請求項１のエンコーダ。
3. 前記領域確認手段は、位相差２信号よりも僅かに位相の進んだ位相差２信号あるいは僅かに位相の遅れた位相差２信号を形成する請求項２のエンコーダ。
4. 前記領域確認手段は、位相差２信号よりも僅かに位相の進んだ位相差２信号と位相差２信号、あるいは僅かに位相の遅れた位相差２信号と位相差２信号とから領域確認信号を形成する請求項３のエンコーダ。
5. 前記領域確認手段は、位相差２信号よりも僅かに位相の進んだ位相差２信号および僅かに位相の遅れた位相差２信号を形成する請求項２のエンコーダ。
6. 前記領域確認信号は、位相差２信号よりも僅かに位相の進んだ位相差２信号と僅かに位相の遅れた位相差２信号とから領域確認信号を形成する請求項５のエンコーダ。
7. 前記領域確認手段は、４種類の領域確認信号を出力する請求項１〜６のいずれかのエンコーダ。
8. 少なくとも被測定物の回転に応じて位相差２信号を与えるコード信号発生手段と、前記コード信号発生手段からの信号をシリアルデータに変換するシリアルデータ変換手段を有し、前記位相差２信号をシリアルデータとして出力するインクリメンタルエンコーダである請求項１〜７のエンコーダ。
9. 請求項１〜８のエンコーダを有する回転位置検出装置。

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